一种用于球面阵T/R组件安装的新型支架*

古 勇

(中国西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

引 言

相控阵雷达因拥有比机械扫描更优越的电扫描特性而被广泛应用在制导、敌我识别、精密跟踪等领域。它拥有数量众多的T/R组件，例如美国的平面相控阵雷达XBR(X波段多功能宽带相控阵雷达)的天线面积为123 m2，共有81 000个T/R组件[1]；AN/TPY-2相控阵雷达(工作于X波段)的天线面积为9.2 m2，共安装了25 344个T/R组件[2]；国内某球面相控阵雷达安装的T/R组件数目更是多达3.5万个。未来大型地面相控阵雷达将向着多任务、全极化、可升级且型号统一的方向发展。相控阵雷达虽然功能全面，战术指标优良，但造价很高，大型相控阵雷达的造价更是高达数亿人民币。高昂的造价限制了该类型雷达的应用，目前，世界各国研发的相控阵雷达更多的是在总体成本和战术指标之间寻找平衡[3]，在资金有限的条件下，通过结构优化设计以及组件高度集成化、通用化等降低总体成本[4]。本文主要通过设计一种更为科学、合理的T/R组件安装结构来优化雷达内部布局并降低成本。

1 传统T/R组件安装结构

在球面相控阵雷达中，T/R组件最常见的安装方式是先通过4个螺钉将一个金属支架紧固在球面内侧，然后再通过4个螺钉将T/R组件紧固在一个金属支架上，所用电缆直接或间接连接到T/R组件前端或后端的线缆转接板上，球面外侧的振子天线则通过球面支架上的通孔用高频电缆与转接板互连。传统安装结构如图1所示，其中T/R组件为前出线方式。

图1 传统安装结构示意图

在安装过程中发现图1所示的传统安装结构有4大问题：

1)支架安装问题。金属支架在球体内侧安装需要预先攻丝，球体作为球面相控阵雷达的支架，其质地坚硬，若安装3.5万个金属支架，则需要在球面内侧攻丝14万个孔，工作量大且很多孔的定位及攻丝质量难免会出现问题，造成金属支架安装歪斜或无法安装。

2)T/R组件安装问题。T/R组件需要通过4个螺钉才能紧固到金属支架上，由于模块之间空间狭小且螺钉位置过于靠近球面内侧，组件安装费时费力，拆卸也存在很大困难。

3)T/R组件安装效率不高。T/R组件的连接线缆都在模块前端，安装支架时必须同时连接线缆，一个T/R组件有4组线缆，安装支架时还得整理线缆，安装效率很低。

4)走线问题。T/R组件的连接线缆都分布在球面内侧和金属支架之间，线缆的走向只能是紧贴球面内侧，超过10万根电缆的走线布局是个大问题，若模块有一根线缆需要更换，那么其难度可想而知。

2 新型支架的结构组成及优势

2.1 结构组成

新型支架结构采用了模块化安装的设计思路，安装结构按点、面、体的方式划分为模块支架、子阵、球面阵3个部分，即将模块支架作为阵列的基本单元，再由8个模块支架构成子阵组成一个面单元，数千子阵再组成球面阵列形成一体。模块支架是T/R组件安装的支撑体，子阵是8个模块支架和附件支撑架的载体，球面阵是由所有子阵安装到球面支架内侧构成的，是所有子阵的载体。模块支架、子阵可以在球面外预先完成组装工作，最后在球面内完成子阵总装即可。

2.1.1 模块支架

传统支架的安装思路简单明了，即支架、T/R组件等所有部件均通过4个紧固螺钉依次安装固定，但这种方法并未考虑给T/R组件安装和拆卸带来的不便。T/R组件的安装需要上4个紧固螺钉，拆卸时还要拆卸螺钉，且电缆直接连接到模块的前端或后端，安装T/R组件后需要连接电缆，拆卸T/R组件时还需要先拆卸电缆。这种传统支架的安装费时、费力、效率低。因此，减少支架安装的螺钉数量，减少电缆不必要连接的次数就是新型支架应该解决的问题。如图2所示，弧面支架基板上已经安装了一个支架体，用来放置T/R组件，支撑翻盖的作用是保证T/R组件推入支架体后不至于滑出，当支架体处于竖直方向时，T/R组件安装或拆卸时支撑翻盖的作用尤为明显。转接板的作用是进一步固定T/R组件，同时避免了更换T/R组件时电缆、光缆的拆卸和连接。一个弧面支架基板上可以安装8个支架体，即可以安装8个T/R组件来构成一个子阵。天线振子是按同心圆的方式均匀分布在球体表面，同心圆之间的振子都是错位分布的，因此弧面支架基板上的T/R组件也是错位分布的。模块支架的设计主要是为了提高T/R组件的安装效率。所有弧面支架基板上的安装孔均通过机加工的方式来保证孔位的精度，同时支架可以预先安装在弧面支架基板上，最后在球面阵内部总装，避免了在球面阵内部人工打孔精度难以保证的问题，也不用在球面内局促的空间中逐个安装支架体。

图2 模块支架安装结构图

2.1.2 子阵

一个弧面支架基板上有8个支架体，可以安装8个T/R组件来构成一个子阵，如图3所示。弧面支架基板固接了一个附件支撑架来放置功分器和电源分配器，大幅缩短了T/R组件与功分器、电源分配器的连接电缆的长度，在电缆总数超过10万根的球面阵中，缩短电缆连接长度所带来的经济效益是十分可观的，同时节省了球面内大量的空间，对球面内所有T/R组件的通风、散热也是很有好处的。

图3 子阵安装结构图

在传统安装方式中，功分器、电源分配器分布于球面内一个圆弧支架的内外表面上，再通过电缆与T/R组件相连。T/R组件与功分器、电源分配器之间有一段距离即间隔距离，连接电缆的长度一般为该间隔距离的2倍，如图4所示。若球面直径是10 m，那么图4中的间隔距离约为2 m，连接电缆长度约为4 m。若采用传统安装方式,则当安装T/R组件的数量很大时，圆弧支架和T/R组件之间的电缆对模块的遮挡、模块安装和更换困难以及走线难度大等问题就暴露出来了。出现这些问题的根本原因是T/R组件与功分器、电源分配器之间有一段间隔距离，但又必须用电缆将T/R组件与功分器、电源分配器连接起来。因此，在图4所示的设计方案中，缩短间隔距离会影响T/R组件的安装和更换，增加间隔距离又会增加电缆长度，电缆太长会增加走线的难度，同时数万根电缆将占用很多空间，对T/R组件形成遮挡，更换难度更大。因此，新的安装设计方案直接将T/R组件和功分器、电源分配器作为一个整体。

图4 球面阵内部传统布局示意图

在图3所示的子阵安装结构中，在T/R组件的后端增加一个支撑架来放置功分器和电源分配器后，T/R组件与功分器、电源分配器的连接电缆跨度就缩小了，电缆长度约为0.4 m，子阵由弧面支架基板、8个模块支架、附件支撑架、功分器和电源分配器组成。弧面支架基板是构成子阵的基础，8个模块支架体和附件支撑架通过紧固螺钉固定在弧面支架基板上，功分器和电源分配器则通过紧固螺钉固定在附件支撑架上。最后，通过电缆将转接板与功分器、电源分配器连接起来完成安装。采用新的安装设计方案，只需一伸手就可以更换T/R组件，而不需要整个人钻到T/R组件和功分器、电源分配器之间的空间里，在无数的电缆中间去更换一个T/R组件。

2.1.3 球面阵

当所有子阵的组装完成后就可以进行球面阵的组装了。同一个圆周上子阵的结构完全一致，不同圆周上子阵的弧面支架基板的外形尺寸是不一样的，需根据实际工程情况来进行具体划分。相同的子阵只需要安装在球面内侧相应直径的圆弧位置即可。球面阵的安装结构关系如图5所示，图5中上下左右T/R组件的连线互不干扰，各子阵的附件支撑架的走线互不干涉。

图5 球面阵安装结构关系图

2.2 新方案的结构优势和效益优势

与传统安装结构相比，新型安装结构的优点如下：

1)可实行模块化安装。新型支架子阵的金属材质及其模块的体积更易于精准的机械加工，大量的子阵组装工作可以预先在球面外部完成，最后在球体内进行子阵的安装即可。

2)安装维护更简单。采用新型支架后，只需将T/R组件推入支架体，合上支撑翻盖，就可保证模块的初步固定，然后将转接板和T/R组件的后端对正并通过2个紧固螺钉固定即可。更换T/R组件时只需要取下转接板，翻开支撑翻盖即可，既可保护电缆又减少了无效工作量。

3)走线更省更经济。传统安装方式中功分器、电源分配器距离模块过远，增加了大量的无效走线长度，极大地浪费了球体内部空间。若球面的直径是10 m，那么除光缆之外,连接模块与功分器、电源分配器的所有本振电缆和电源线长度至少有2 m，且电缆数量众多犹如瀑布一般，对模块的遮挡十分严重，扎线也不能解决相控阵雷达内部走线这个大问题。采用新型支架后，T/R组件与功分器、电源分配器的连接电缆从原来的2 m缩短到现在的0.4 m，大量线缆遮挡模块的问

题也迎刃而解，节约了模块后端大量宝贵的空间，更换模块相当便捷，走线也不再是问题。因此，优化后的安装结构方案可大幅节约系统成本。

3 结束语

大型相控阵雷达应用在气象监测、空中交通管制、目标侦测等各个方面[5]，未来各种类型的相控阵雷达将向着单一类型、多任务、多功能的方向发展，应根据需要在战术指标和成本之间选择最佳的相控阵雷达规模。大型相控阵雷达的造价还需要进一步降低，内部组件模块化、内部设备集成化以及总体结构通用化是降低成本的必由之路。本文设计的用于球面相控阵雷达的T/R组件新型支架顺应了这种发展趋势，可为后续工程实施提供参考。

[1] 王德纯. 宽带相控阵雷达[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

[2] 张光义. 相控阵雷达原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[3] 蒋庆全. 有源相控阵雷达技术发展趋势[J]. 装备与技术, 2005(4): 9-11.

[4] 张光义, 赵玉洁. 相控阵雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

[5] 丁鹭飞, 耿富录. 雷达原理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2002.